专题三十七 直流电机的基本工作原理（教案）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题三十七 直流电机的基本工作原理（教案）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

一、考纲解读

1.能根据能量转换方向、工作条件及核心原理，准确区分直流发电机与直流电动机，并判断具体设备的电机类型。

2.能阐述直流电动机中换向器的结构特点、功能作用，并说明其如何保证线圈持续转动。

3.能解释直流电机可逆性的含义，结合生活或生产实例，说明同一台电机在不同条件下的两种运行状态。

4.能根据电机的工作条件、结构状态，判断电机的运行状态、故障原因，并推理能量转换过程。

二、知识点梳理

一、直流发电机

1.电磁感应与右手定则

从物理学中可知,在磁感应强度为B的均匀磁场中,当一根有效长度为L的导体,做垂直切割磁感线运动时,则在导体L上产生感应电动势。这种由于导体切割磁感线而使导体产生电动势的现象,称为电磁感应。其感应电动势的大小计算规律,称为电磁感应定律,公式为

                              e = BLv                         (7-1)

其中,"为导体的运动速度;电动势e的方向可按右手定则确定,即伸开右手,让拇指与其余四指在同一平面内,且互相垂直。将右手放人磁场中,让磁感线垂直穿入手心,大拇指指向导体的运动方向,其余四指所指的方向,便是导体中感应电动势的方向,如图7-12所示。

2.直流发电机的基本工作原理

图7-13所示为直流发电机原理图。两个极N、S建立恒定磁场,两极中间有圆柱形铁心,称为电枢铁心,其作用是使极掌处空气隙的磁通均匀分布。铁心上固定着线圈abcd，线圈的ad两端分别接在跟电枢铁心一起旋转的两片半圆铜片上,这两个半圆形铜片称为换向片,它们合在一起称为换向器。电枢铁心,铁心上固定的线圈,以及换向器组合在一起称为电枢。电刷AB分别与这两个换向片接触而通向外电路。

(1)在图7-13(a)中当电枢逆时针旋转时,线圈两边ab与cd切割磁感线产生感应电动势,方向如图7-13(a)

所示,由d→e→b→a,电刷A为正极,电刷B为负极。外电路上的电流方向是由正极A流出,经负载流向负极B。可根据右手定则判断。

(2)在图7-13(b)中 当电枢旋转90°时,如图7-13(b)所示,线圈两边均处于磁场的物理中性面上,此时线圈不切割磁感线,感应电动势为零。两电刷A、B同时与两换向片接触,把线圈短接,线圈中也没有电流通过。

(3)在图7-13(e)中 当电枢转过了物理中性面后,如图7-13(c)所示,此时线圈的电动势方向改变了,变成了由a→b→c→d,电刷A原来与换向片1接触,变为与换向片2接触,电刷B原来与换向片2接触,变为与换向片1接触,这样电刷A仍为正极,电刷B仍为负极。

线圈每转过一对磁极,其电动势方向就改变一次,但两电刷间的电动势方向是不变的,只是大小在零与最大值之间变化。这种单线圈直流发电机,虽然可以获得恒定方向的电动势和电流,但它们的大小是脉动的,其电动势波形图如图7-13(d)所示。这就是直流发电机的基本工作原理。

3.直流发电机恒定电动势的产生

上述的发电机,电动势方向虽然不变,但大小是脉动的,而且波动很大,这样的电动势是不符合实际要求的。要减少电动势的波动程度,可以在电枢上适当增加线圈数和换向片数。例如,在电枢上绕两个线圈,即每隔90°就有一个线圈边,如图7-14(a)所示。这样换向后半波电动势将相差90”,其合成的电动势波形如图7-14(b)所示,波动程度已显著减小。实际应用的直流电机中线圈数总是较多的,磁极对数也不只是一对,电动势的波动程度很小。

图7-15所示为8个线圈直流发电机,这8个线圈绕在一个圆柱形的铁心上,换向器是由8个换向片组成,每个线圈的两边分别接到相邻的换向片上。很明显,所有的线圈通过换向片串联起来,构成了一个闭合绕组,两个电刷装在两磁极之间的中心线上。

当原动机带动电枢旋转时,每个线圈的有效边都不断地交替切割N极和S极磁通,不论电枢转到什么位置,N极范围内所有线圈边的电动势都具有相同的方向,S极范围内所有线圈边的电动势也具有相同的方向。又由于线圈是经换向器串联在一起的,通过电刷将闭合绕组分成两部分并联。在旋转时,大部分时间有两个线圈

被电刷短路,况且被短路的两个线圈正处于不产生感应电动势的位置上。这样两个线圈组并联称为并联支路数a=1,此时采用一对电刷,如图7-15(d)所示。因此,电刷A、B间的电动势始终为处于N极(或S极)范围内所有线圈电动势之和,也就是说,无论电枢转到什么位置,由于线圈的相互替换,换向器的换向作用,电刷A、B间的电动势的方向总是恒定的,即直流电动势,并且是最大的直流电动势。

二、直流电动机

1.直流电动机工作的理论基础

直流电动机工作的理论基础是基于电磁力定律,即通电导体在磁场中会受到力的作用。在磁感应强度为B的磁场中,放置一条长度为L的导体,且与磁感线方向垂直。若在导体L中通以电流1,则作用在载流导体上的电磁力为

                            F = BIL

方向可按左手定则来确定。如图7-16所示,伸开左手,让拇指和其余四指在同一平面内且互相垂直,将左手放入磁场中:让磁感线垂直穿人手心,令四指指向电流方向,拇指所指示的方向就是导体的受力方向。

2.直流电动机的基本工作原理

图7-17所示为直流电动机的工作原理示意图。基本结构与直流发电机完全相同。将直流电源的正负极通过电刷A、B与电机接通。

在图7-17(b)中 当电枢转过90°时,两个线圈边都转到磁感应强度B=0的位置,此时线圈边不受磁场力的作用,转矩消失,如图7-17(b)所示。

在图7-17(a)所示的瞬间,直流电流通过电刷 A、换向片1、线圈 ab和cd,最后经换向片2及电刷B回到电源